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室溫下的固態邁射

only-perception
・2012/08/19 ・1139字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

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一如今日 Nature 期刊中的報導,科學家目前展示一種能在室溫下運作的固態「邁射(MASER)」,為其廣泛應用鋪路。

邁射代表 Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation(微波受激發射放大)。基於這種過程(也是同樣的縮寫,下文用原文來表示)的裝置在五十多年前由科學家開發出來,比雷射的發明還更早。並非像雷射那樣創造出強烈的光束,相反的,邁射傳送集中的微波束。

傳統邁射技術利用堅硬的無機晶體,例如紅寶石,來放大微波,此過程稱為「masing」。然而,相較於雷射,邁射的技術性衝擊較小,因為要使其運作的極端條件難以產生;不是超低壓(由特殊真空腔與幫浦所提供),就是溫度接近絕對零度的冰凍狀態(由特殊的致冷器所支持)。更糟的是,也常常要用到強大的磁場,而那需要大型磁鐵。

現在,來自 National Physical Laboratory (NPL) 以及倫敦帝國學院的團隊已在一個室溫下、未施加磁場的固態裝置中展示 masing。今日的突破意味製造、運作邁射的成本能大幅減少,可能導致它們如雷射技術那樣被廣泛使用。

研究者指出,為了掃描病患,室溫邁射能用來製造更敏感的醫療儀器、為了遠端偵測爆裂物,能用來改良化學感應器;為了量子電腦,能製造出雜訊更低的讀取機器,另外為了偵測其他星球上的可能生命,它能用來製造出更好的無線電望遠鏡。

在 NPL 的研究共同作者 Dr Mark Oxborrow 表示:”半世紀以來,邁射已被遺忘,是雷射的麻煩表親。我們的設計突破將使邁射為業界與消費者所用。”

倫敦帝國學院材料系系主任以及論文共同作者 Professor Neil Alford 補充:”當雷射被發明時沒人確切知道它們將如何被使用,然而隨著科技蓬勃發展至今,雷射在我們日常生活中已相當普及。要使邁射達到這種程度,我們還有很長的路要走,但我們的突破確實意味這項技術已如字面所示「come out of the cold(雙關語,意指不再被忽視,另一意指可以在室溫下運作)」,並開始變得更有用。”

傳統的邁射技術使用硬質無機晶體,例如紅寶石,只有當紅寶石維持在非常的低溫下才有用。該團隊發現一種全然不同類型的結晶體,即摻雜五環素(pentacene)的 p-terphenyl(對三聯苯),能取代紅寶石,且能在室溫下重現相同的 masing 過程。

身為一種奇妙的轉變:五環素的摻雜反而使無色的 p-terphenyl 轉變成強眼的紅粉色(reddish pink) — 使得它看起來猶如紅寶石!

這個團隊目前面臨的雙重挑戰是使邁射能持續作用,其第一個裝置只能以脈衝模式運作,每次只有幾分之一秒。他們也要讓它能在微波頻率以外的範圍運作,而不是只有像目前這樣的窄頻,那將使這項科技更有用。

長期來說,該團隊有其他一系列目標,包括確認各種不同能在室溫下 mase 且耗能比摻雜五環素的 p-terphenyl 還要少的材料。該團隊也將聚焦在創造新設計上,那將使邁射更小、更可攜。

原始文獻:

Mark Oxborrow, Jonathan D. Breeze, Neil M. Alford
Nature, 488, 353–356, (16 August 2012)
doi: 10.1038/nature11339

資料來源:PHYSORG:MASER power comes out of the cold: Researchers demo solid-state MASER capable of operating at room temperatures[August 15, 2012]

轉載自only-perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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低溫也是一種過敏源?寒冬外出小心「寒冷性蕁麻疹」
careonline_96
・2021/12/14 ・1470字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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天氣冷颼颼!想賞雪追雪小心危「肌」重重

12 月份氣溫驟降,過敏一族在這時候精神特別緊繃,特別是「寒冷性蕁麻疹」患者更容易因為未注意保暖,導致蕁麻疹發作。

其中「寒冷性蕁麻疹」屬於物理性慢性蕁麻疹,此類蕁麻疹患者通常對「低溫」敏感,只要稍微接觸如雪、冰水、冷空氣亦或是短時間內室內至室外溫度急速下降,即會產生風疹塊,導致全身紅腫、灼熱、發癢,嚴重時喉嚨和舌頭腫脹會影響呼吸,甚至少部分患者可能會引起全身性過敏反應而暈倒、心跳加速、血壓降低,皆會有危及生命的可能。

寒冷性蕁麻疹

 曾有位罹患「寒冷性蕁麻疹」男童,在學校上游泳課時因水溫較低,才剛跳進水中便馬上引發蕁痲疹,導致全身上下都佈滿紅色膨疹,隨後連呼吸道也跟著腫起來,幸好迅速就醫,症狀才穩定下來。

卓玉麗皮膚專科診所院長卓玉麗醫師建議「寒冷性蕁麻疹」患者除了需定時服藥,最好在知道會遇到冷因子一至兩小時前先服用抗組織胺藥物,同時也做好保暖、避免室內外溫差,冰水、冰冷食物等也需忌口,特別是冬季追雪活動盛行,也建議「寒冷性蕁麻疹」患者應避免前往。

寒冷性蕁麻疹的治療與預防

 卓玉麗醫師表示目前蕁痲疹的治療以「新型第二代抗組織胺」為主,過往傳統的第一代抗組織胺藥物,雖可有效止癢、並阻止微血管擴張,但時常會造成口乾舌燥、嗜睡、頭昏無力等狀況,少部分患者甚至會出現視力模糊等副作用,雖為短效型藥物但其副作用在少數患者體內可能會持續很長時間,嚴重影響患者日常生活,使服藥順從性降低導致無法有效改善症狀。

以卓玉麗醫師的門診經驗來看,「新型第二代抗組織胺」其副作用發生機率大約只有百分之一,不僅有效改善因為第一代藥物引起的嗜睡、疲倦、注意力不集中等問題,更重要的是對於肝腎功能不佳的患者也不需減少劑量,為目前安全性高的藥物,且藥效在 1 小時內便能夠達到治療效果,並可持續 24 小時,減少患者的服藥次數,事半功倍。

根據臺灣皮膚科醫學會新版診治共識指示,如一般藥物治療仍無法讓病人症狀得到控制,即可將抗組織胺藥物最高調至四倍用量,若調高藥物劑量二至四週後仍然無法改善症狀,即可考慮使用生物製劑或免疫調節劑進行治療。卓玉麗醫師提及現今的治療流程簡明扼要,且因新一代藥物的發現及投入市場,使得蕁麻疹的控制更為有效。

除了配合醫師處方外,也提醒寒冷性蕁麻疹的患者千萬不要只在有症狀時才服藥,不僅無法控制症狀還會使先前的治療前功盡棄,必須將蕁麻疹看成是慢性病一樣治療,有耐心、信心配合醫囑長期服藥,方可穩定控制。

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careonline_96
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超導研究突破:在 15℃ 觀測到超導現象
linjunJR_96
・2020/11/24 ・1482字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

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超導體的神奇性質,一向只有在零下數十或數百度才會現身。就在今年十月,科學家首次在攝氏 15 度的環境下觀察到超導現象,打破了先前的紀錄(零下 23℃)。在尋求室溫超導的世紀大業中,寫下新的篇章。

超導體是什麼?

一般金屬導體(例如銅、銀)的電阻會隨著溫度下降而變小,不過即使在接近絕對零度時,還是會存在一點點的電阻。人們在 1911 年時發現,有些特定的材料被冷卻到一個程度後電阻會驟降為零,也就是超導現象。這時就算不提供任何電壓,超導體也能穩定的維持電流流動,流到天荒地老。實驗上,超導體已經成功讓電流跑了25年,並持續增加中。

除了零電阻之外,超導體的另一項特異功能是完美的抗磁性。一般來說,磁力的影響可以穿透物質,所以磁鐵才能將海報黏在黑板上。不過超導體會將所有意圖通過的磁力線拒於門外,磁力線被迫繞過超導體,使其內部磁通量等於零,此為所謂的邁斯納效應(Meissner Effect)。如果將一小塊磁鐵放在超導體上方,便可以看到它因為排斥的磁力懸浮在空中。

懸浮磁鐵。圖/Wikimedia

怎麼還沒應用在生活中?

超導體的這些夢幻性質能夠全面革新世界的樣貌,從磁浮技術,資料傳輸,到零耗損電力網,都將不再是夢想。然而從 1911 年到現在,這些科幻片中的場景仍未實現,因為超導性質只有在材料低於特定的臨界溫度才會出現,而在實驗上,這個臨界溫度通常約零下兩百多度。

過往,超導現象只發生在極低溫的環境。圖/Wikipedia

要將材料保存在如此低溫的環境可是所費不貲,任何的大型產業應用也因此難以實現,因此,研究能在較高溫度,甚至在常溫下具備超導特性的材料,就顯得格外重要。

尚未理解的高溫超導機制

過往的超導體理論,是透過原子晶格與電子間的交互作用來解釋超導體的存在,在這種解釋下,物質只會在接近絕對零度、原子的熱擾動極小時,產生超導現象。這種理論只能解釋傳統低溫超導體的機制,對於臨界溫度較高的高溫超導體,雖然可以在實驗上觀察到,但至今仍沒有一個公認的理論模型可以解釋。因此,關於高溫超導的實驗與理論,便成為目前科學界努力尋求的大秘寶。

根據一些初步的模型預測,氫分子或許是個潛力股。不過一般的氣態氫是絕緣體,而金屬氫需要極大的壓力才能合成。因此近期常見的嘗試方向是富含氫原子的金屬物質,例如在 2015 年創下臨界溫度紀錄的硫化氫(-70℃),以及將這個紀錄打破的十氫化鑭(-23℃)。

超導特性出現在常溫 15℃!

羅切斯特大學的實驗團隊在今年利用碳、氫和硫元素,合成出含有碳質的硫化氫(carbonaceous sulphur hydride),並觀察它的超導特性。一塊小小的樣本被鑽石壓砧夾住,並施予 270 GPa 的壓力。在這樣的條件下,超導體特有的零電阻與抗磁性在驚人的 15℃ 便突然現身。

實驗團隊介紹。來源/University of Rochester

當然,這樣的實驗成果距離實際的日常應用還有一段距離。碳質氫化硫樣本只有幾微米大,而鑽石壓砧所施加的壓力也只比地核內部壓力少一點。研究團隊接下來計畫持續調整樣本的化學配方,只要配方對了,他們相信正常壓力下的室溫超導體應該指日可待。

參考資料

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linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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想死而復生,先冰起來就對了……嗎?史上第一個冷凍人│科學史上的今天:1/12
Peggy Sha
・2019/01/12 ・1888字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 487 ・五年級

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不想讓食物壞掉,我們可以把它們冰在冰箱裡,那如果想要長生不老,我們可不可以把人冰在冰箱裡呢?答案是:可以!

事實上,世界上有組織就專門在做這種「冷凍人」,今天,就讓我們來看看冰凍人與冰凍人背後那追求長生不老的故事。

心理教授死後冷凍,追求重見光明的一天

歷史上第一個冷凍人是 James Bedford,他原本是加州大學的心理學教授,罹患腎臟癌,而後癌細胞轉移至肺臟。在當時,這算得上是不治之症。Bedford 最終死於 1967 年,並在遺囑中留下了 10 萬美金,希望可以把自己給好好冰起來。

在 Bedford 死後幾個小時,處理人員對他的屍體進行了十分原始的冷凍程序,這個「冰人」的過程是這樣子的:首先,他被注射了作為抗凍劑的二甲亞碸 (dimethyl sulfoxide,DMSO),在當時被認為對於長期冷凍很有效用。再來,Bedford 便被保存進液態氮中。他的冷凍艙在搬了幾次家後,現在在「阿爾科生命延續基金」(Alcor Life Extension Foundation) 落地生根。

阿爾科生命延續基金的冷凍艙大概就是長這樣。圖/By Photo courtesy of Alcor Life Extension Foundation, CC BY 2.5

由於 Bedford 是史上第一個進行這種死後冷凍的人,相關社群十分重視他所帶來的意義,甚至將他冷凍的那天──1 月 12 日設定為「James Bedford 日」,每年都要慶祝一下。

來點抗凍劑,避免細胞變冰晶

不過,為什麼 Bedford 的冰凍過程這麼複雜呢?冷凍時,體內的水分形成大型冰晶很容易會造成細胞損傷,所以才要循序漸進並加入抗凍劑,讓細胞不至於在冷凍時受到太大的損傷。

而說到了所謂的「抗凍劑」,其實在寒帶生物的身上十分常見,生長在寒帶的變溫動物由於不像人類會自動調節體溫維持在固定範圍,牠們的體溫會隨著外界溫度變化。試想:假設外面降到零度以下,牠們的體溫也會跟著下降,這樣一來,牠們體內的液體不是就會跟著變成冰塊了嗎?

冷凍時如果產生冰晶很容易會造成細胞損傷。圖/pixabay

嘿嘿,這種事情當然是不會發生滴,在各地生存下來的動物各自有其抗寒的本領。以灰樹蛙 (Hyla versicolor) 為例,牠們可以在零度以下存活數天,這是因為牠們在面對天寒地凍的時候,血液裡的甘油和葡萄糖的比例都會上升。如此一來,就能夠保護細胞不因低溫而形成冰晶,牠們才能繼續在低溫中存活。而 Bedford 被注入的二甲亞碸在冷凍過程中所扮演的,正是類似的角色。

冷凍技術,真能實現科幻場景?

那麼,Bedford 最後搬去的阿爾科生命延續基金是個什麼樣的地方呢?

這個位於亞利桑那州的組織,是個專注於人體冷凍技術 (Cryonics) 的非營利組織,也是目前全世界最大的人體冷凍服務的供應商。所謂的人體冷凍技術,指的是將人體或是動物保存於攝氏零下 196 度以下,等待未來醫療技術更進步時,再將它們解凍復活、進行治療。

而除了全身性的冷凍之外,也有許多人選擇只冷凍頭部,期待有朝一日可以將自己的腦袋裝到更年輕、更好的身體上。

人體的冷凍準備步驟。圖/By Photo courtesy of Alcor Life Extension Foundation, CC BY 2.5

也想變成冰淇淋?還沒死掉可不行!

這樣的冷凍技術其實引發了許許多多的爭議,相信人體冷凍技術的人們認為,這樣低溫保存的方式可以完整保存人體,甚至舉了一些冰凍過後又恢復活性的動物為例。

欸欸欸,聽起來真的是非常不錯呢!是不是只要花點錢就可以把自己冰起來留待未來更高明的醫療解凍?嗯……還請各位不要高興的太早,前面提到的案例跟實際執行的人體冷凍技術可是有段不小的差距。

首先,現在的技術尚無法保證解凍之後這些人體就能成功被復活,因此許多人都對於這個技術心存疑慮。再來,依據目前的相關規定,需要等到人被法律判定死亡,才可以對其進行後續的冷凍處理,也就是說,這些被冰起來的,通常都是法律上所認定的「死者」,還真的不是可以隨便說冰就冰的呢。所以說阿爾科生命延續基金其實就是冰了一堆遺體的……(無誤)

除了冰凍之外,還有更多追求長生不老的方式。如果想要知道更多關於防止衰老的秘辛,就快去訂閱泛科學的 YouTube 頻道!

參考資料

  1. 灰樹蛙的抗凍劑 陳偉民 遠哲科學教育基金會發現月刊 2007 年 12 月第 136 期
  2. DMSO冷凍細胞原理
Peggy Sha
68 篇文章 ・ 387 位粉絲
曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。